產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在化工磷肥行業(yè)風(fēng)機泵類中的應(yīng)用
1 前言
隨著化工磷復(fù)肥行業(yè)近年迅速發(fā)展，在磷肥生產(chǎn)中，大型磷肥裝置紛紛建成投產(chǎn)。在生產(chǎn)的流程中，風(fēng)機、渣漿的調(diào)速通常使用的是用液力耦合器進行調(diào)速，滿足工藝生產(chǎn)的需要。根據(jù)各單位的實際需要，通常使用的是用液力耦合器對風(fēng)機、泵進行20%~80%調(diào)速。但電機在工頻狀態(tài)下運行，多余的動能通過液力耦合器轉(zhuǎn)化成熱能讓冷卻水帶走。這樣從能源使用上和生產(chǎn)維護上都不經(jīng)濟，結(jié)合現(xiàn)在高壓變頻器的技術(shù)發(fā)展，為節(jié)能減排工作提供了很好的解決辦法。采用變頻調(diào)節(jié)控制技術(shù)，取消原來的液力耦合器及相應(yīng)的冷卻水泵及冷卻水，降低生產(chǎn)中的能源及資源消耗。做好清潔生產(chǎn)、節(jié)能降耗。
2現(xiàn)場設(shè)備介紹
云南云天化國際化工股份有限公司（簡稱云天化國際）是云天化集團有限責(zé)任公司的控股子公司。它的成立是為遵循云南省委、省政府加速培育一批國內(nèi)一流、乃至世界一流的大型企業(yè)集團的總體要求，擁有高濃度磷復(fù)肥510萬噸的年生產(chǎn)能力，可實現(xiàn)銷售收入超過300億元。形成的高濃度磷復(fù)肥產(chǎn)能現(xiàn)居中國之首，亞洲第一，世界第二，形成了國內(nèi)一流、國際知名的、具備規(guī)模生產(chǎn)各類高濃度磷復(fù)肥和專用復(fù)合肥的大型磷化工企業(yè)。
云南云天化國際化工股份有限公司富瑞分公司是云天化國際的子公司，成立于2002 年11 月11 日， 在2009年的電氣節(jié)能改造工作中，對一臺710kW/6kV的CO1O1尾氣風(fēng)機和二臺450kW/6kV的磷酸膏渣漿泵進行的變頻器改造，經(jīng)過多家產(chǎn)品對比，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-710F,JD-BP37-450F型變頻器。通過一年多的運行觀察分析，設(shè)備運行穩(wěn)定，達到了預(yù)期目的。
現(xiàn)場設(shè)備尾氣風(fēng)機的電機參數(shù)如下表1所示，二臺450kW/6kV的磷酸膏渣漿泵的參數(shù)相同，其中P0209A泵的電機參數(shù)如下表2所示。
原系統(tǒng)電動機拖動渣漿泵，是將管道中的化工原料利用渣漿泵移動到另一工藝的管道中，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝要求，原系統(tǒng)利用液力耦合器實現(xiàn)調(diào)速控制。CO1O1尾氣風(fēng)機用于干燥生產(chǎn)出來的重鈣產(chǎn)品，將重鈣產(chǎn)品吹到干燥鍋爐內(nèi)進行干燥，燃耗再進行下一步工藝流程，原系統(tǒng)利用液力耦合器實現(xiàn)調(diào)速控制。
3新風(fēng)光變頻器和液力耦合器的優(yōu)缺點比較
3.1液力耦合器調(diào)速
液力偶合器調(diào)速是高壓電機領(lǐng)域中傳統(tǒng)的調(diào)速方式，但能耗大、效率低，其原因是存在嚴重的耦合損失和轉(zhuǎn)差損失。耦合損失是由于液壓油內(nèi)摩擦造成的；轉(zhuǎn)差損失是由于調(diào)速時輸出軸和輸入軸存在轉(zhuǎn)差造成的，這種損失隨轉(zhuǎn)差的增加而上升，即效率η=1-s，其中s為轉(zhuǎn)差率。這兩部分損失最終都變成熱損失，雖然一次投資少，成本低，但調(diào)速精度差，同時還存在嚴重非線性，只在15%~ 85%間是調(diào)節(jié)線性區(qū)，即使在這區(qū)間，仍存在增速與減速間逆差間隙，造成自動系統(tǒng)很難投入運行。運行不可靠，國內(nèi)已有多起由于液力耦合器葉片破損造成事故的先例，其主要原因是液力耦合器制造精度難以提高。并且采用液力偶和器調(diào)速方法需要一整套油系統(tǒng)，維護工作量很大。
3.2變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是通過改變電動機定子供電頻率來改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速進行調(diào)速的，是無附加轉(zhuǎn)差損耗的有效調(diào)速方式。突出優(yōu)點是調(diào)速效率高，啟動能耗低，調(diào)速范圍廣，可實現(xiàn)無極調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)速度快，調(diào)速精度高，操作簡便，且易于實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的控制自動化。此外，在裝置發(fā)生故障后能可采取措施投入人工頻運行，不會影響生產(chǎn)作業(yè)是其較顯著的優(yōu)點。由于它的調(diào)速性能優(yōu)于其他調(diào)速技術(shù)，安裝場地條件又比較靈活，應(yīng)用范圍廣泛，是市場需求增長較快的調(diào)速方式。
3.3新風(fēng)光變頻器和液力耦合器的優(yōu)缺點比較
4 新風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器優(yōu)點
山東新風(fēng)光是國家高新技術(shù)企業(yè)，風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器除具有一般普通變頻器的功能外，還具有以下性能特點：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。
（2）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度及轉(zhuǎn)向并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。為了適應(yīng)國內(nèi)電網(wǎng)波動大，系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。從而在電網(wǎng)電壓波動超過＋15～－35％U0情況下，系統(tǒng)能夠提供有效過、欠壓保護；在電網(wǎng)恢復(fù)正常后，自動搜索跟蹤電動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向按照設(shè)定曲線恢復(fù)正常運行狀態(tài)，保證設(shè)備安全運行不跳閘。為了滿足不同現(xiàn)場對旋轉(zhuǎn)中再啟動功能的需求，系統(tǒng)提供完備的參數(shù)設(shè)定功能，真正適應(yīng)現(xiàn)場運行工況要求。
（3）完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)：現(xiàn)在的高壓變頻器一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，時間較長，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。我公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。
（4）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機，高壓恢復(fù)后變頻自動運行到掉電前的頻率。
（5）線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(shù)）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。在運行中，如果有任意三個單元以內(nèi)出現(xiàn)故障，變頻器本身會自動旁路該單元，同時變頻器主控系統(tǒng)具有星點漂移功能，使三相輸出線電壓保持平衡，不會對電動機造成不利影響。
（6） 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
5對變頻設(shè)備的技術(shù)要求
（1） 保證滿足系統(tǒng)工藝的運行條件。
（2）不改變原有設(shè)備的運行模式和控制方式。
（3） 變頻改造設(shè)備與原工頻動力系統(tǒng)為并聯(lián)互鎖連接關(guān)系。
（4）在保證系統(tǒng)運行工況的前提下進行節(jié)能。
（5） 變頻設(shè)備可與原監(jiān)控設(shè)備進行通訊，用于生產(chǎn)監(jiān)控，同時提供相應(yīng)的接口電路。
6變頻改造一次回路及原理
6.1磷酸渣漿泵P0209A/B一拖二系統(tǒng)圖
因現(xiàn)有6kV配電室沒有足夠空間，決定采用變頻器的1拖2功能，可分別拖動P0209A/B兩臺泵。且采用手動旁路功能。一拖二變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下：
圖1 磷酸渣漿泵P0209A/B一拖二系統(tǒng)圖
它是由六個高壓隔離開關(guān)K1～K6組成（見圖1）。其中K2和K3,K5和K6安裝機械互鎖裝置；K2和K5,K4和K1有電氣互鎖。如果DL1和DL2電源同時供電，A泵工作在變頻狀態(tài)，B泵工作在工頻狀態(tài)時，K3和K4、K5分閘，K2、K1和K6處于合閘狀態(tài)；B泵工作在變頻狀態(tài)，A泵工作在工頻狀態(tài)時，K2和K1、K6分閘，K4、K5和K3處于合閘狀態(tài)；如果檢修變頻器，K3和K6可以處于任一狀態(tài)，其它隔離開關(guān)都分閘，兩臺負載可以同時工頻運行；DL1或DL2一路電源檢修時，可以通過分合隔離開關(guān)使任一電機變頻運行。
保持原有對電機的保護及其整定值不變。
6.2CO1O1尾氣風(fēng)機主回路系統(tǒng)圖
尾氣風(fēng)機采用一拖一運行方式，配置手動旁路柜。
圖2 CO1O1尾氣風(fēng)機主回路系統(tǒng)圖
圖2旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
6.3 變頻器改造后對液力耦合器的處理
經(jīng)過對原系統(tǒng)進行分析，對原系統(tǒng)設(shè)備的控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，改造方案有如下兩種：一是將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通；二是將電機前移直接與負載相連，由變頻器直接對負載設(shè)備進行調(diào)速。本次改造項目采用后一種方案，變頻器設(shè)備接入用戶側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作，調(diào)整負載轉(zhuǎn)速為生產(chǎn)工藝要求值。
6.4對外接口
模擬量輸入：2路，4～20mA 。4～20mA時輸入阻抗250Ω，用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號；現(xiàn)場的流量、壓力等信號。
模擬量輸出：2路，4～20mA 。4～20mA輸出時最大阻抗500Ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度；變頻器的輸入、輸出電壓、電流、功率及功率因數(shù)等變量。
數(shù)字量輸入：12路，光電隔離，隔離電壓500VAC。接收遠程控制信號，速度給定開關(guān)信號及各開關(guān)狀態(tài)等。
數(shù)字量輸出：9路，中間繼電器隔離，隔離電壓750VAC，接點容量5A。輸出變頻器狀態(tài)，控制主電源開斷。
通訊接口：提供隔離RS485，MODBUS、以太網(wǎng)等通訊規(guī)約，實現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。
7效益分析
7.1 二期磷酸渣漿泵P0209節(jié)能效果統(tǒng)計分析
7.2 CO1O1尾氣風(fēng)機節(jié)能效果統(tǒng)計分析
通過以上兩個案例分析，由此可見，在滿足生產(chǎn)要求的條件下，采用變頻調(diào)速便可將風(fēng)門或液離耦合器耗費的電能節(jié)約下來，一年節(jié)省電費79.6萬元。
綜合效益：通過降低綜合運營成本可達50%（電費成本＋設(shè)備故障成本＋設(shè)備維護成本＋設(shè)備更新成本＋耦合器的冷卻水系統(tǒng)運行成本）。另外由于變頻器具有軟啟停功能，延長了設(shè)備的使用壽命。由此產(chǎn)生的間接效益將是無法估量。
8結(jié)束語
總之，云天化國際富瑞公司在風(fēng)機、泵類負載進行高壓變頻節(jié)能改造不管從操作、運行維護，還是節(jié)能方面都取得很好的效果，是成功的。其控制方便，靈活，優(yōu)良的調(diào)速性能，完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求；良好的節(jié)能效果，可以提高系統(tǒng)的運行效率。變頻器的使用大大提高了系統(tǒng)的自動化控制水平，使整套設(shè)備的控制系統(tǒng)變得更加安全可靠，從而保證了生產(chǎn)的有效和穩(wěn)定。
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